校門口的智能管理員

壽建慧 沈詩(shī)婕 瞿子文 趙飛洋 陳靈敏 薛珂磊 王群 諸夢(mèng)瑤 汪澤鈺 袁偉榮

摘 ? 要：本文研究了校門口等特殊路段在高峰時(shí)期存在易堵塞、易發(fā)生事故等交通現(xiàn)象，導(dǎo)致交通效率低下、造成警力資源浪費(fèi)等問(wèn)題。為解決此類問(wèn)題，我們將人工智能引入到校門口的交通管理系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一套校門口的智能管理裝置。本裝置應(yīng)用了現(xiàn)代傳感技術(shù)、單片機(jī)處理技術(shù)等手段，使其擁有智能識(shí)別行人、信息交互等功能，同時(shí)通過(guò)采用紅綠燈與LED屏幕進(jìn)行交通指揮與信息表達(dá)，從而大大緩解了交通堵塞現(xiàn)狀、降低了交通事故發(fā)生率、解決了警力資源浪費(fèi)等問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：可移動(dòng)式紅綠燈 ?紅外測(cè)距 ?光伏儲(chǔ)能技術(shù) ?信息交互 ?智能交通 ?人性化 ?人工智能

中圖分類號(hào)：U49 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）02（a）-0144-04

近年來(lái)，伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、城市化進(jìn)程的日益推進(jìn)以及人民生活水平的顯著提高，汽車普遍地進(jìn)入了百姓家庭。截至2017年3月底，全國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量首次突破3億輛，其中汽車達(dá)2億輛;機(jī)動(dòng)車駕駛?cè)顺?.64億人，其中汽車駕駛?cè)?.2億人。隨之而來(lái)的是道路交通壓力不斷增加，各路段時(shí)常發(fā)生擁堵現(xiàn)象[1]。與此同時(shí)學(xué)校門口道路，施工路段的交通意外頻發(fā)，發(fā)生的原因大多是缺失交通信號(hào)指示或是交通信號(hào)指示不明確[2-3]。而若在此類路段增加警力進(jìn)行間斷交通管制，對(duì)部分轄區(qū)而言，可能存在警力不足的問(wèn)題[4-5]。查閱資料發(fā)現(xiàn)，少有研究去處理該類情景下的交通問(wèn)題。沒(méi)有紅綠燈指揮的學(xué)校門口路段，在工作日的早晨和傍晚兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)，交通時(shí)常擁堵。

而此情景反映的問(wèn)題有：（1）此類地點(diǎn)一般沒(méi)有安裝紅綠燈，學(xué)生上下學(xué)、教職工上下班等原因?qū)е滦腥送ㄟ^(guò)路口人數(shù)有幾個(gè)峰值，在這幾個(gè)時(shí)間段都可能會(huì)導(dǎo)致交通擁堵，嚴(yán)重的甚至產(chǎn)生交通意外。（2）因?yàn)檫@些路口每天只有很短的一段時(shí)間內(nèi)行人才會(huì)增多，需要交通指揮，所以鋪設(shè)固定式紅綠燈成本過(guò)高，不符合節(jié)約環(huán)保的要求。（3）即使安裝固定式紅綠燈或傳統(tǒng)的移動(dòng)式紅綠燈，除了某些特殊時(shí)間點(diǎn)，人行道上通過(guò)的行人極少，但主車道司機(jī)也必須在紅綠燈顯示綠燈的時(shí)候才能通過(guò)路口，存在大量無(wú)效紅燈等待時(shí)間，不符合“快捷高效城市”的要求[6]，同時(shí)會(huì)引發(fā)闖紅燈等危險(xiǎn)行為，不必要的減速還會(huì)增加機(jī)動(dòng)車的磨損以及污染物的排放[7-8]。（4）在學(xué)校門口的路口，通行的主要人群是學(xué)生，他們的安全意識(shí)薄弱，不注意觀察路面[9]。若司機(jī)通過(guò)太快，交通意外的可能性太大。而目前使用較多的是普通移動(dòng)式交通信號(hào)燈，無(wú)法識(shí)別判斷是否有人要通過(guò)，不夠快捷高效。因此，上述情況下的路口問(wèn)題亟待解決。

在國(guó)內(nèi)，校門口等路段由于學(xué)生上下學(xué)產(chǎn)生的人流量高峰現(xiàn)象，導(dǎo)致上下學(xué)時(shí)段交通擁堵且學(xué)生的安全得不到保障。有些地區(qū)的交管部門對(duì)此類問(wèn)題路段提出改進(jìn)，其改進(jìn)的方式：正常情況時(shí)道路不擺放紅綠燈，當(dāng)上下學(xué)高峰時(shí)期時(shí)，交警擺放普通移動(dòng)式紅綠燈，協(xié)助管理交通。但其設(shè)計(jì)也存在警力資源嚴(yán)重浪費(fèi)的問(wèn)題。

面對(duì)上述情況，為了減少校門口、工廠門口等特殊路段的交通安全隱患，緩解此類路段在上下學(xué)、上下班時(shí)期的交通擁堵現(xiàn)狀，解決警力浪費(fèi)問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)并制作了一種針對(duì)校門口的移動(dòng)式交通智能管理裝置。該裝置利用紅外測(cè)距傳感與單片機(jī)技術(shù)，智能識(shí)別行人與車輛，判斷行人的前進(jìn)方向，進(jìn)行及時(shí)且有效的示警;利用硅光電池與顯示器，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，顯示環(huán)境可見(jiàn)度。

1 ?系統(tǒng)構(gòu)成和主要模塊介紹

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成模塊

系統(tǒng)主要由五個(gè)部分組成：主CPU、全彩led燈、紅外測(cè)距傳感器模塊、硅光電池模塊、LED點(diǎn)陣屏8*8。

1.2 紅外測(cè)距傳感器模塊

紅外傳感器的紅外發(fā)射二極管不斷發(fā)射紅外線，當(dāng)發(fā)射出的紅外線沒(méi)有被反射回來(lái)或被反射回來(lái)但強(qiáng)度不夠大時(shí)，返回模擬量的值會(huì)很小，當(dāng)距離較近或非常近的時(shí)候，返回的模擬量值會(huì)很大，根據(jù)模擬量值的大小，我們可以對(duì)探頭和遮擋物的距離進(jìn)行判斷，確認(rèn)遮擋物距離是否變化，及變化的方向。

紅外傳感器用于檢測(cè)物體移動(dòng)方向，檢測(cè)到移動(dòng)信號(hào)時(shí)，須多次測(cè)距結(jié)果均為有效，方進(jìn)行判定。

1.3 主CPU

單片機(jī)用于接受來(lái)自紅外測(cè)距傳感器的行人前進(jìn)方向信息、硅光電池產(chǎn)生的電流大小信息，經(jīng)過(guò)分析處理后，控制信號(hào)燈進(jìn)行切換，控制LED顯示器顯示環(huán)境可見(jiàn)度。

1.4 硅光電池模塊

硅光電池的原理是光生伏特效應(yīng)[10]。它是一個(gè)大面積的光電二極管，它可把入射到它表面的光能轉(zhuǎn)化為電能。當(dāng)硅光電池接入負(fù)載后，光電流從P區(qū)經(jīng)負(fù)載流至N區(qū)，負(fù)載中即得到功率輸出。

硅光電池可以為智能管理員提供電能，多余的電能將儲(chǔ)存在蓄電池之中。除此之外，硅光電池產(chǎn)生的電流大小與光照強(qiáng)度呈線性關(guān)系，經(jīng)過(guò)CPU分析后可，判斷外界的光照，從而得出環(huán)境可見(jiàn)度。

1.5 全彩LED燈模塊

智能管理員的信號(hào)燈采用全彩LED燈模塊。

全彩LED燈采用紅、綠、藍(lán)（R、G、B）三種基本顏色的LED燈珠芯片，具有以下特點(diǎn)：

（1）全彩：可調(diào)配多種顏色。

（2）智能：可遙控調(diào)燈光顏色/調(diào)亮度/開關(guān)燈/定時(shí)。

（3）采用模塊化設(shè)計(jì)，不受燈具外形限制。

（4）節(jié)能環(huán)保，使用壽命長(zhǎng)。

（5）引腳數(shù)量少，通過(guò)PWM控制燈光顏色，節(jié)約單片機(jī)資源。

1.6 LED點(diǎn)陣屏

LED點(diǎn)陣屏具有可視距離遠(yuǎn)、耗電量少、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、故障率低、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，而8×8點(diǎn)陣屏幕，與單片機(jī)結(jié)合，可以盡可能節(jié)省單片機(jī)資源[11]。而且8×8的LED點(diǎn)陣也足夠通過(guò)字幕滾動(dòng)的方法與人交互信息。

2 ?系統(tǒng)模型演示與邏輯流程

2.1 場(chǎng)景模擬

如圖1所示，校門口即為路口，學(xué)生通過(guò)馬路時(shí)存在安全隱患。使用時(shí)將管理員安放在人行道中間，顯示器面向車行道，紅外測(cè)距傳感器面向人行道。

2.2 情景演示

無(wú)行人通行時(shí)，如圖2所示。

（1）紅外感應(yīng)器未檢測(cè)到行人，行人紅綠燈為紅燈。道路紅綠燈為綠燈，雙向車道保持正常的通行。

（2）光伏電池始終工作，為管理員提供電能，多余電能儲(chǔ)存在蓄電池中。LED顯示器顯示當(dāng)時(shí)環(huán)境可見(jiàn)度。

有行人靠近時(shí)，如圖3所示。

紅外感應(yīng)器檢測(cè)到行人正在向斑馬線靠近，行人、道路信號(hào)燈變?yōu)辄S燈，持續(xù)5s，警示行人慢行小心來(lái)往車輛。

行人通行時(shí)，如圖4所示。

行人信號(hào)燈變?yōu)榫G燈，道路信號(hào)燈轉(zhuǎn)換為紅燈，車輛制動(dòng)等待行人的通行。

行人通過(guò)后，如圖5所示。

紅外感應(yīng)器4s內(nèi)未感應(yīng)到行人靠近，行人信號(hào)燈黃燈閃爍5s，轉(zhuǎn)為紅燈。道路紅綠燈黃燈閃爍5s變?yōu)榫G燈，車輛保持正常的通行。

行人過(guò)多導(dǎo)致車輛擁堵時(shí)，如圖6所示。

若道路上的車輛擁堵時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，當(dāng)行人信號(hào)燈保持綠燈狀態(tài)時(shí)間到達(dá)20s時(shí)，強(qiáng)制進(jìn)入到黃燈閃爍，時(shí)間為5s，警示行人離開斑馬線。

信號(hào)燈強(qiáng)制轉(zhuǎn)換時(shí)，如圖7所示。

行人信號(hào)燈轉(zhuǎn)換，變?yōu)榧t燈，20s后重新開始判斷。期間行人在斑馬線兩側(cè)等待車輛通行。

道路紅綠燈轉(zhuǎn)換，變?yōu)榫G燈，20s后重新開始判斷。期間車輛保持正常的通行。

2.3 系統(tǒng)模型圖

智能管理員的系統(tǒng)模型圖如圖8所示。

2.4 邏輯流程圖

智能管理員的信號(hào)燈切換警示邏輯流程如圖9所示。

3 ?結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的持續(xù)提高，車輛數(shù)量迅速增多，與此同時(shí)公共交通日益繁忙，雖然在城市交通的建設(shè)下，在紅綠燈等交通信號(hào)的指揮下，大部分路段的交通狀況已經(jīng)有所改善。但是仍然有部分路段沒(méi)有設(shè)置紅綠燈，有的是因?yàn)槌杀?，有的是因?yàn)闊o(wú)法提前埋設(shè)線路，還有的是道路修理無(wú)法設(shè)置固定式紅綠燈。學(xué)校門口的路段是一個(gè)典型路段，每到上下學(xué)的兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)，道路大多會(huì)發(fā)生堵塞，嚴(yán)重的可能發(fā)生意外。而過(guò)了這兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)，路段又幾乎沒(méi)有行人通過(guò)，因此安放固定式紅綠燈成本太高，且平常少有行人通過(guò)的時(shí)段會(huì)影響行車的效率。交警管理在警力不充足的地區(qū)不太適用。而普通的移動(dòng)交通信號(hào)燈無(wú)法做到智能識(shí)別人群，從而控制交通信號(hào)。

本組提出的模型以這種路口為背景，在行人通過(guò)基礎(chǔ)上，通過(guò)紅外測(cè)距傳感器來(lái)感知行人的行走方向和路線并將信息傳輸給主CPU，控制交通信號(hào)燈的紅綠信號(hào)轉(zhuǎn)化，從而達(dá)到“有行人，車輛停;無(wú)行人，車輛行”的目的。本模型使無(wú)紅綠信號(hào)燈的路口在行人通過(guò)時(shí)，遵循了“行人優(yōu)先”的交通法則，改善了交通環(huán)境，大大緩解了交通堵塞現(xiàn)狀、降低了交通事故發(fā)生率、解決了警力資源浪費(fèi)等問(wèn)題，避免了人身傷亡與財(cái)產(chǎn)損失。通過(guò)紅外測(cè)距模塊使得識(shí)別行人的能力大幅度上升，而光伏電池的應(yīng)用也省去了充電的操作，還能通過(guò)照射在板上的光照強(qiáng)度來(lái)反饋當(dāng)前的視線情況，也能根據(jù)類似路段的不同車輛情況和人流量調(diào)整參數(shù)。

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